السالبية الكهربائية ونوع الرابطة: دليل كيمياء HSC

غاز الهيدروجين، \(\ce{H2}\)، وكلوريد الهيدروجين، \(\ce{HCl}\)، وكلوريد الصوديوم، \(\ce{NaCl}\)، جميعها تتضمن قوى تجاذب بين الذرات. ومع ذلك، نصف الرابطة H-H بأنها تساهمية غير قطبية، والرابطة H-Cl بأنها تساهمية قطبية، والرابطة Na-Cl بأنها أيونية إلى حد كبير. فما الذي يتغير؟

قبل أن تتابع القراءة، حاول أن تتنبأ. إذا كانت ذرتان مرتبطتان تجذبان إلكترونات الرابطة بالقوة نفسها، فأين يُتوقع أن تقضي هذه الإلكترونات معظم وقتها؟ والآن تخيل أن إحدى الذرتين تجذبها بقوة أكبر بكثير. الإجابة عن هذين السؤالين هي الفكرة الأساسية وراء السالبية الكهربائية.

01ابدأ بقوة جذب إلكترونات الرابطة

في الرابطة التساهمية، تتشارك ذرتان زوجًا من الإلكترونات. لكن «التشارك» لا يعني بالضرورة «التشارك بالتساوي».

تخيل شخصين يمسكان طرفي لحاف. إذا جذبه كل منهما بالقوة نفسها، يبقى اللحاف متمركزًا تقريبًا بينهما. وإذا جذب أحدهما بقوة أكبر، ينتهي جزء أكبر من اللحاف في جهته.

تعمل السالبية الكهربائية بطريقة تشبه ذلك قليلًا. فهي تقيس قدرة الذرة على جذب إلكترونات الرابطة نحوها.

لهذا التشبيه حدود. فالإلكترونات ليست قطعًا من القماش تستقر في موضع ثابت واحد، وحتى الروابط شديدة الأيونية لا توصف وصفًا مثاليًا بأن ذرة واحدة تمتلك إلكترونًا بصورة دائمة. الجزء المفيد من التشبيه هو ببساطة فكرة التنافس: يمكن للذرات المرتبطة أن تجذب الكثافة الإلكترونية المشتركة بمقادير مختلفة.

ماذا تعني السالبية الكهربائية المرتفعة؟

الذرة ذات السالبية الكهربائية المرتفعة تجذب إلكترونات الرابطة نحوها بقوة.

أما الذرة ذات السالبية الكهربائية المنخفضة فلها قدرة أضعف على جذب إلكترونات الرابطة تلك.

عبر الجدول الدوري، فإن السالبية الكهربائية عمومًا:

• تزداد من اليسار إلى اليمين عبر الدورة
• تقل كلما انتقلت إلى أسفل المجموعة
• تكون أعلى ما يمكن بالقرب من الفلور في المنطقة العلوية اليمنى من الجدول الدوري

وهذا منطقي إذا تذكرت فكرتين سابقتين. عبر الدورة، تزداد الشحنة النووية بينما تظل إلكترونات الرابطة في مستوى الطاقة الرئيسي نفسه تقريبًا. وعند النزول في المجموعة، تزيد الأغلفة الإلكترونية الإضافية المسافة والحجب الإلكتروني.

02فرق السالبية الكهربائية يوضح مدى عدم تساوي الرابطة

لنفترض أن للذرتين \(A\) و\(B\) سالبيتين كهربائيتين \(\chi_A\) و\(\chi_B\). يكون فرق السالبية الكهربائية:

\[ \Delta EN = |\chi_A-\chi_B| \]

تعني علامتا القيمة المطلقة أننا نهتم فقط بمقدار الفرق، وليس بما إذا كانت عملية الطرح تعطي عددًا موجبًا أم سالبًا.

قيم السالبية الكهربائية بلا أبعاد، ولذلك لا توجد وحدة لـ \(\Delta EN\).

كلما ازداد الفرق، زادت قوة جذب إحدى الذرتين للكثافة الإلكترونية نحوها.

وهذا يعطينا تدرجًا مفيدًا:

هذه الحدود قواعد تقريبية وليست قوانين طبيعية. فقد تستخدم الجداول والكتب الدراسية المختلفة حدودًا فاصلة مختلفة قليلًا. توجد الروابط على طيف متصل، لذلك لا ينبغي أن تتخيل وجود مفتاح خفي عند \(\Delta EN=1.70\) يحول الرابطة التساهمية فجأة إلى رابطة أيونية.

في أسئلة HSC، استخدم قيم السالبية الكهربائية أو إرشادات التصنيف التي يوفرها السؤال متى أمكن. والأهم من ذلك، اشرح الاتجاه: كلما ازداد فرق السالبية الكهربائية، ازدادت قطبية الرابطة وازداد طابعها الأيوني.

03الروابط التساهمية غير القطبية: لا تفوز أي من الذرتين في شد الحبل

لننظر إلى \(\ce{Cl2}\).

لذرتي الكلور السالبية الكهربائية نفسها تمامًا. لذلك:

\[ \Delta EN = |3.16-3.16|=0 \]

لا تجذب أي من ذرتي الكلور إلكترونات الرابطة بقوة أكبر من الأخرى.

لذلك تتوزع الكثافة الإلكترونية بصورة متماثلة بين الذرتين، مما يعطي رابطة تساهمية غير قطبية.

ويحدث هذا تلقائيًا عندما ترتبط ذرتان متماثلتان، كما في \(\ce{H2}\)، و\(\ce{N2}\)، و\(\ce{O2}\)، و\(\ce{F2}\).

كما يمكن لذرات مختلفة أن تكوّن روابط تُعامل على أنها غير قطبية تقريبًا إذا كانت سالبياتها الكهربائية متقاربة جدًا.

04الروابط التساهمية القطبية: الإلكترونات مشتركة، ولكن بصورة غير متساوية

لننظر الآن إلى \(\ce{HCl}\).

الكلور أعلى سالبية كهربائية بكثير من الهيدروجين:

\[ \Delta EN = |3.16-2.20|=0.96 \]

لا تزال الإلكترونات مشتركة، لذلك فالرابطة تساهمية. ومع ذلك، تنزاح الكثافة الإلكترونية نحو الكلور.

وينتج عن هذا التوزيع غير المتساوي شحنات جزئية:

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

يرمز الحرف \(\delta\)، وهو الحرف اليوناني دلتا، إلى «جزئي». لم يكتسب الكلور شحنة كاملة مقدارها \(-1\)، ولم يكتسب الهيدروجين شحنة كاملة مقدارها \(+1\). تقع الرابطة في موضع بين التشارك المتساوي تمامًا والانفصال الكامل للشحنات.

يكون طرف الكلور \(\delta-\) لأن لديه كثافة إلكترونية أكبر. ويكون طرف الهيدروجين \(\delta+\) لأن الكثافة الإلكترونية قد سُحبت بعيدًا عنه.

وهذه رابطة تساهمية قطبية.

من الأخطاء الشائعة إسناد الطرف السالب إلى الذرة التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات إجمالًا. هذه ليست القاعدة. قارن السالبية الكهربائية. فالذرة الأعلى سالبية كهربائية تحصل على الطرف \(\delta-\).

05الرابطة الأيونية: عندما يصبح الفرق كبيرًا جدًا

قارن الآن بين الصوديوم والكلور.

باستخدام سالبية كهربائية مقدارها 0.93 للصوديوم و3.16 للكلور:

\[ \Delta EN = |3.16-0.93|=2.23 \]

وهذا فرق أكبر بكثير من الفرق في H-Cl.

وفق نموذج بسيط، يفقد الصوديوم إلكترونًا ليكوّن \(\mathrm{Na}^{+}\)، بينما يكتسب الكلور إلكترونًا ليكوّن \(\mathrm{Cl}^{-}\):

\[ \ce{Na -> Na+ + e-} \]

\[ \ce{Cl + e- -> Cl-} \]

ثم تتجاذب الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة بفعل القوى الكهروستاتيكية. وفي كلوريد الصوديوم الصلب، يمتد هذا التجاذب عبر شبكة أيونية عملاقة ثلاثية الأبعاد بدلًا من تكوين جزيئات صغيرة منفصلة من \(\ce{NaCl}\).

ولهذا فإن مجرد القول إن «الرابطة الأيونية هي رابطة ينتقل فيها إلكترون» غير مكتمل. انتقال الإلكترون يفسر تكوين الأيونات. أما الرابطة الأيونية نفسها فهي التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة.

06الروابط طيف متصل، وليست ثلاثة عوالم منفصلة

إن أوصاف تساهمية غير قطبية، وتساهمية قطبية، وأيونية مفيدة، لكن الطبيعة لا تقسّم الروابط إلى ثلاث فئات منفصلة تمامًا.

تخيل أنك تزيد تدريجيًا السالبية الكهربائية لإحدى الذرتين في رابطة. ستنزاح الكثافة الإلكترونية تدريجيًا نحو تلك الذرة. ولا يحدث شيء سحري عندما يتجاوز الفرق قيمة عشرية معينة.

لذلك فإن أنفع نموذج ذهني هو:

\[ \text{تشارك متساوٍ} \longrightarrow \text{تشارك غير متساوٍ} \longrightarrow \text{تزايد انفصال الشحنات} \]

أو بلغة الروابط:

\[ \text{تساهمية غير قطبية} \longrightarrow \text{تساهمية قطبية} \longrightarrow \text{تزايد الطابع الأيوني} \]

ولهذا لا ينبغي تصنيف رابطة قريبة من حد فاصل في كتاب دراسي بدقة زائفة.

إذا كان \(\Delta EN=1.69\)، فليس من الكيمياء الجيدة أن تجادل بأن هذه الرابطة لا بد أن تكون مختلفة اختلافًا جوهريًا عن رابطة لها \(\Delta EN=1.71\). استخدم السالبية الكهربائية كدليل، ثم ضع في الاعتبار المعلومات الأخرى عن المادة عندما تكون متاحة.

07أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: الأيونية تعني أن الإلكترونات اختفت تمامًا من إحدى الذرات

غالبًا ما يُعرض على الطلاب رسم تخطيطي يسلّم فيه فلز إلكترونًا إلى لافلز. وهذا النموذج مفيد لأنه يفسر تكوين الأيونات.

لكنه يصبح مضللًا إذا فسرته تفسيرًا حرفيًا أكثر من اللازم.

فالكثافة الإلكترونية الحقيقية ليست مقسمة إلى أجزاء مملوكة تمامًا لذرات محددة. وحتى المواد التي نصنفها على أنها أيونية قد تمتلك بعض الطابع التساهمي، بينما قد تُظهر الروابط التساهمية شديدة القطبية قدرًا كبيرًا من انفصال الشحنات.

إذن، ماذا ينبغي أن تقول في الاختبار؟

عندما يكون فرق السالبية الكهربائية كبيرًا، فمن المناسب أن تقول إن للرابطة طابعًا أيونيًا قويًا، وإن المادة يمكن تمثيلها على أنها أيونات ذات شحنات متعاكسة تمسكها قوى التجاذب الكهروستاتيكي. تجنب الادعاء بأن السالبية الكهربائية وحدها تثبت حدوث انتقال كامل ومثالي للإلكترون.

08قطبية الرابطة ليست هي نفسها قطبية الجزيء

يسبب هذا الفرق كثيرًا من الأخطاء التي يمكن تجنبها.

يخبرك فرق السالبية الكهربائية بما إذا كانت رابطة منفردة قطبية. لكنه لا يخبرك، بمفرده، بما إذا كان الجزيء كله قطبيًا.

على سبيل المثال، كل رابطة C-O في ثاني أكسيد الكربون قطبية لأن الأكسجين أعلى سالبية كهربائية من الكربون. لكن \(\ce{CO2}\) خطي:

\[ \ce{O=C=O} \]

يتجه عزما ثنائي القطب للرابطتين في اتجاهين متعاكسين فيلغي أحدهما الآخر.

لذلك يحتوي \(\ce{CO2}\) على روابط تساهمية قطبية، لكنه جزيء غير قطبي في مجمله.

وهذا لا يتعارض مع السالبية الكهربائية. بل يعني فقط أنك انتقلت إلى السؤال التالي: بعد أن تعرف قطبية كل رابطة، كيف تنتظم هذه الروابط في الفراغ ثلاثي الأبعاد؟

09خطوات سريعة لاتخاذ القرار

عندما تُعطى ذرتان مرتبطتان ويُطلب منك تحديد نوع الرابطة:

1. ابحث عن السالبية الكهربائية لكل ذرة.
2. احسب \(\Delta EN\) باستخدام القيمة المطلقة للفرق.
3. استخدم مقدار \(\Delta EN\) للحكم على مدى عدم تساوي مشاركة الإلكترونات.
4. حدّد الذرة الأعلى سالبية كهربائية. في الرابطة التساهمية القطبية، تصبح هذه الذرة \(\delta-\).
5. تعامل مع الحدود العددية على أنها تقريبية وليست مطلقة.
6. إذا أعطاك السؤال أدلة فيزيائية، مثل التوصيل الكهربائي أو سلوك الانصهار، فاستخدم هذه الأدلة أيضًا.

الفكرة الأساسية ليست حفظ \(0.4\) و\(1.7\). بل فهم ما تمثله هذه الأعداد: مدى عدم تساوي قوة جذب إلكترونات الرابطة.

10أسئلة وحلول

السؤال 1

للفوسفور سالبية كهربائية مقدارها 2.19، وللكلور سالبية كهربائية مقدارها 3.16. صنّف رابطة P-Cl وحدد أي الذرتين تحمل الشحنة السالبة الجزئية.

الحل 1

رابطة P-Cl تساهمية قطبية، ويحمل الكلور الشحنة السالبة الجزئية.

فرق السالبية الكهربائية هو:

\[ \Delta EN=|3.16-2.19|=0.97 \]

يشير الفرق \(0.97\) إلى مشاركة غير متساوية بصورة ملحوظة، لكنه ليس كبيرًا بما يكفي، وفق الدليل التقريبي المعتاد، لوصف الرابطة بأنها يغلب عليها الطابع الأيوني.

الكلور أعلى سالبية كهربائية، لذلك يجذب كثافة إلكترونات الرابطة نحوه:

\[ \ce{P^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

الاستدلال المهم هنا هو أن إشارة الشحنة الجزئية تعتمد على أي الذرتين أعلى سالبية كهربائية، وليس على أي ذرة تظهر أولًا في الصيغة.

السؤال 2

استخدم قيم السالبية الكهربائية الآتية:

• الهيدروجين: 2.20
• الكبريت: 2.58
• الأكسجين: 3.44

قارن رابطة S-H برابطة O-H.

أي الرابطتين أكثر قطبية، وأي ذرة تكون \(\delta-\) في كل رابطة؟

الحل 2

رابطة O-H أكثر قطبية. يكون الكبريت \(\delta-\) في S-H، بينما يكون الأكسجين \(\delta-\) في O-H.

بالنسبة إلى S-H:

\[ \Delta EN=|2.58-2.20|=0.38 \]

وبالنسبة إلى O-H:

\[ \Delta EN=|3.44-2.20|=1.24 \]

لرابطة O-H فرق سالبية كهربائية أكبر، ولذلك تُشارك إلكترونات الرابطة فيها بصورة أقل تساويًا بكثير.

في S-H، يكون الكبريت أعلى قليلًا في السالبية الكهربائية من الهيدروجين، لذلك تنزاح الكثافة الإلكترونية نحو الكبريت.

وفي O-H، يكون الأكسجين أعلى بكثير في السالبية الكهربائية من الهيدروجين، لذلك تنزاح الكثافة الإلكترونية نحو الأكسجين.

من الأخطاء الشائعة القول إن الرابطتين متساويتان في القطبية لأن كلتيهما تحتويان على الهيدروجين. تعتمد قطبية الرابطة على الفرق بين الذرتين معًا، وليس على هوية ذرة واحدة فقط.

السؤال 3

يحسب طالب فرقًا في السالبية الكهربائية مقداره بالضبط \(1.70\) لرابطة، ثم يكتب:

«لأن \(1.70\) هو الحد الفاصل للرابطة الأيونية، فهذه الرابطة أيونية بالتأكيد ولا تمتلك أي طابع تساهمي.»

قيّم استنتاج الطالب.

الحل 3

استنتاج الطالب قطعي أكثر مما ينبغي. فرق السالبية الكهربائية \(1.70\) يضع الرابطة بالقرب من حد اصطلاحي، ولذلك لا تبرر السالبية الكهربائية وحدها الادعاء بأن الرابطة أيونية بالكامل ولا تمتلك أي طابع تساهمي.

القيم مثل \(0.4\) و\(1.7\) هي إرشادات تقريبية للتصنيف. وهي تساعدنا على وصف تغير مستمر في توزيع الإلكترونات.

الرابطة ذات \(\Delta EN=1.69\) لا تصبح فجأة جسمًا فيزيائيًا مختلفًا اختلافًا جوهريًا عن رابطة ذات \(\Delta EN=1.70\) أو \(1.71\).

الاستنتاج الأفضل هو أن للرابطة قطبية كبيرة وطابعًا أيونيًا ملحوظًا. وإذا قُدمت أدلة إضافية، مثل بنية المادة أو سلوك الانصهار أو التوصيل الكهربائي، فينبغي استخدام هذه الأدلة أيضًا لتحديد أفضل نموذج لوصف المادة.

المفهوم الخاطئ هنا هو التعامل مع حد مدرسي مناسب على أنه قانون دقيق من قوانين الطبيعة.

السؤال 4

مادة صلبة افتراضية، \(\ce{MX}\)، تحتوي على عنصرين مختلفين فرق السالبية الكهربائية بينهما \(1.55\).

لذلك يتوقع طالب أن المادة الصلبة لا بد أن تتكون من جزيئات تساهمية قطبية منفصلة.

تُظهر الملاحظات التجريبية أن المادة الصلبة:

• لها درجة انصهار مرتفعة
• لا توصل الكهرباء وهي في الحالة الصلبة
• توصل الكهرباء عند انصهارها

أي النموذجين تدعمه جميع الأدلة بصورة أفضل: مادة صلبة تساهمية جزيئية أم شبكة أيونية؟ اشرح لماذا لم يكن حساب السالبية الكهربائية وحده كافيًا.

الحل 4

تدعم مجموعة الأدلة الكاملة نموذج الشبكة الأيونية بصورة أفضل.

تقع قيمة \(\Delta EN\) البالغة \(1.55\) بالقرب من المنطقة التي قد يشير فيها دليل عددي بسيط إلى طابع تساهمي قطبي قوي. ومع ذلك، فإن الحد الفاصل تقريبي فقط.

توفر الملاحظات الفيزيائية دليلًا بنيويًا أقوى.

تتوافق درجة الانصهار المرتفعة مع وجود تجاذبات كهروستاتيكية قوية تحتاج إلى طاقة كبيرة للتغلب عليها. كما أن عدم توصيل الكهرباء في الحالة الصلبة متوقع أيضًا في الشبكة الأيونية لأن الأيونات تكون ثابتة في مواضعها.

عندما تنصهر المادة، تصبح الأيونات قادرة على الحركة. لذلك يمكن للمادة المنصهرة توصيل الكهرباء لأن الجسيمات المشحونة تستطيع التحرك خلالها.

أما المادة التساهمية الجزيئية البسيطة فلا يُتوقع عادة أن تكتسب جسيمات مشحونة متحركة بمجرد انصهارها.

كان الخطأ هو افتراض أن قيمة واحدة للسالبية الكهربائية تتغلب على كل الملاحظات الأخرى. فرق السالبية الكهربائية دليل على طابع الرابطة، وليس اختبارًا معصومًا يحل محل البيانات التجريبية.

السؤال 5

استخدم قيم السالبية الكهربائية الآتية:

• الكربون: 2.55
• النيتروجين: 3.04
• الفلور: 3.98

جزيء \(\ce{CF4}\) رباعي السطوح ومتماثل تمامًا. أما جزيء \(\ce{NF3}\) فشكله هرمي ثلاثي.

قارن قطبية رابطة C-F بقطبية رابطة N-F، ثم حدّد ما إذا كان كل جزيء في مجمله قطبيًا أم غير قطبي.

الحل 5

رابطة C-F أكثر قطبية من رابطة N-F، لكن \(\ce{CF4}\) غير قطبي في مجمله بينما \(\ce{NF3}\) قطبي في مجمله.

احسب أولًا فروق السالبية الكهربائية.

بالنسبة إلى C-F:

\[ \Delta EN=|3.98-2.55|=1.43 \]

وبالنسبة إلى N-F:

\[ \Delta EN=|3.98-3.04|=0.94 \]

كلتا الرابطتين تساهميتان قطبيتان، ويكون الفلور \(\delta-\) في الحالتين. رابطة C-F لها فرق سالبية كهربائية أكبر، ولذلك لها قطبية رابطة أكبر.

ومع ذلك، تعتمد قطبية الجزيء على كل من قطبية الروابط وشكل الجزيء.

في \(\ce{CF4}\) رباعي السطوح، تنتظم عزوم ثنائيات القطب للروابط الأربع المتطابقة C-F بصورة متماثلة. فتتلاشى تأثيراتها، ولذلك لا يمتلك الجزيء عزمًا ثنائي القطب كليًا ويكون غير قطبي.

في \(\ce{NF3}\) الهرمي الثلاثي، لا تلغي عزوم ثنائيات القطب للروابط الثلاث N-F بعضها بعضًا بالكامل. لذلك يمتلك الجزيء عزمًا ثنائي القطب كليًا ويكون قطبيًا.

الخطأ المغري هو افتراض أن الجزيء الذي يحتوي على روابط شديدة القطبية لا بد أن يكون هو نفسه قطبيًا. تخبرك السالبية الكهربائية أولًا عن كل رابطة. ثم تحدد الهندسة الجزيئية ما إذا كانت عزوم ثنائيات القطب لهذه الروابط تعزز بعضها بعضًا أم تلغي بعضها بعضًا.

بمجرد أن تتمكن من استخدام السالبية الكهربائية للتنبؤ بقطبية الرابطة، تكون الخطوة المفيدة التالية هي دمج هذه المعلومات مع شكل الجزيء. ويتيح لك ذلك التنبؤ بقطبية الجزيء كله، مما يساعد بعد ذلك على تفسير القوى بين الجزيئات، ودرجات الغليان، والذوبانية، والعديد من الخواص الفيزيائية التي تظهر لاحقًا في كيمياء HSC.